Классификация катионов и анионов.

Методы анализа.

Аналитическая химия – наука об определении химического состава вещества.

Аналитическая химия и ее методы широко применяются на предприятиях общественного питания и пищевой промышленности для осуществления контроля качества сырья, полуфабрикатов, готовой продукции; определения сроков реализации и условий хранения продукции.

В аналитической химии различают количественный и качественный анализ. Задача количественного анализа - определение относительного количества элементов в соединениях или химических соединений в смесях; задача качественного анализа - обнаружить присутствие элементов в соединениях или химических соединений в смесях.

История развития аналитической химии.

Изначально с помощью качественного анализа определяли свойства некоторых минералов. Количественный анализ применялся в пробирном деле (определение благородных металлов) - Древняя Греция, Египет. В 9-10веке методы пробирного дела применялись для определения благородных металлов в Киевской Руси.

Аналитическая химия как наука начинает развиваться с середины 17 века.

Впервые основы качественного анализа изложил английский ученый Р.Бойль, он же ввел термин «химический анализ». Р.Бойль считается родоначальником научной аналитической химии.

Законы количественного анализа изложил Ломоносов в середине 17 века. Ломоносов впервые начал применять взвешивание исходных веществ и продуктов реакции.

К середине ХIХ века оформились титриметрические и гравиметрические методы анализа, методы газового анализа.

Первый учебник по аналитической химии появился в России в 1871 г. Автор этого учебника – русский химик Н.А. Меншуткин.

Во второй половине ХХ века появилось много новых методов анализа: рентгеновские, масс-спектральные и т.д.

Классификация методов анализа, применяемых в аналитической химии.

Аналитическая химия включает два основных раздела: количественный анализ и качественный анализ.

Методы качественного анализа:

Ø Химические

Ø Физико-химические

Ø Физические

Химический анализ:

Ø «сухим» путем

Ø «мокрым» путем

«Сухой» путь – химические реакции, которые идут при накаливании, сплавлении, окрашивании пламени.

Пример : окрашивание пламени катионами металлов (натрий – желтый, калий – розово-фиолетовый, кальций – оранжево-красный, медь – зеленый и т.д.), которые образуются при электролитической диссоциации солей:

NaCl → Na + + Cl -

K 2 CO 3 → 2K + + CO 3 2-

«Мокрый» путь – химические реакции в растворах электролитов.

Также в качественном анализе в зависимости от количества исследуемого вещества, объема раствора, техники выполнения различают:

1) макрометод: сравнительно большие навески (0,1 г и более) или большие объемы растворов (10 мл и более) исследуемого вещества. Этот метод наиболее удобен в определении.

2) микрометод: навески от 10 до 50 мг и объемы раствора до нескольких мл.

3) полумикрометод: навески 1-10 мг и объемы раствора около 0,1 – 1 мл.

Микрометод и полумикрометод обладают двумя несомненными достоинствами:

1. Большая скорость выполнения анализа

2. Небольшое требуемое количество анализируемого вещества.

Физико-химические методы анализа:

Ø колориметрические (сравнение окраски двух растворов)

Ø нефелометрические (помутнение исследуемого раствора от действия каких-то реагентов)

Ø электрохимические (момент окончания реакции определяют по изменению электропроводности раствора, потенциала электродов в исследуемом растворе)

Ø рефрактометрические (определяют показатель преломления)

Физические методы анализа:

Ø спектральный анализ (изучение спектров излучения или поглощения)

Ø люминесцентный (изучение характера свечения вещества под действием УФ)

Ø масс-спектрометрический

Ø рефрактометрический

Для обнаружения ионов в растворах в аналитической химии используют аналитические реакции.

Аналитическая реакция – химическое превращение, при котором исследуемое вещество переводят в новое соединение с характерным признаком.

Признаки аналитической реакции:

Ø Выпадение осадка

Ø Растворение осадка

Ø Изменение цвета

Ø Выделение газообразного вещества

Условия аналитической реакции:

Ø Быстрое протекание

Ø Специфичность

Ø Чувствительность

Чувствительная реакция – реакция, при помощи которой можно обнаружить наименьшее количество вещества из наименьшего количества раствора.

Чувствительная реакция характеризуется:

1. Открываемым минимумом (наименьшее количество вещества, которое может быть обнаружено данной реакцией)

2. Минимальной концентрацией (отношение массы определяемого вещества к массе или объему растворителя).

Специфичной называется реакция, при помощи которой можно открыть ион в присутствии других ионов по специфичному изменению цвета, образованию характерного осадка, выделению газа и т.д.

Пример: ион бария обнаруживают хроматом калия К 2 СгО 4 (выпадает ярко-желтый осадок).

На специфичных реакциях основан анализ, называемый дробным . С помощью дробного анализа можно открывать ионы в любой последовательности, используя специфичные реакции.

Однако специфичных реакций известно мало, чаще реактивы взаимодействуют с несколькими ионами. Такие реакции и реактивы называются общими . В этом случае применяют систематический анализ. Систематический анализ - определенная последовательность обнаружения ионов, находящихся в смеси. Ионы, составляющие смесь, разделяют на отдельные группы, из этих групп каждый ион выделяют в строго определенной последовательности, а затем открывают этот ион наиболее характерной реакцией. Реакции, характерные для одного иона, называются частными .

Классификация катионов и анионов.

В основу классификации ионов в аналитической химии положено различие в растворимости образуемых ими солей и гидроксидов.

Аналитическая группа – группа катионов или анионов, которая с каким-то одним реактивом дает сходные аналитические реакции.

Классификации катионов:

Ø сульфидная, или сероводородная,– является классической, разработал Меншуткин Н.А.;

Ø кислотно-основная и т.д.

Сульфидная классификации катионов основана на отношении катионов к сульфид-иону:

1) Катионы, осаждаемые сульфид-ионом

2) Катионы, не осаждаемые сульфид-ионом.

Каждая группа имеет свойгрупповой реактив – реактив, используемый для открытия одной группы ионов и образующий осадок с ионами данной группы (Ва 2+ + SО 4 2- → ВаSО 4 ↓)

Определение катионов проводят систематическим анализом .

Химия - "волшебная" наука. А где вы еще получите безопасное вещество, соединив два опасных? Речь идет об обыкновенной поваренной соли - NaCl . Рассмотрим подробнее каждый элемент, опираясь на ранее полученные знания об устройстве атома.

Натрий - Na , щелочной металл (группа IA).
Электронная конфигурация: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

Как видим, натрий имеет один валентный электрон, который он "согласен" отдать, чтобы его энергетические уровни стали завершенными.

Хлор - Cl , галоген (группа VIIA).
Электронная конфигурация: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

Как видим, хлор имеет 7 валентных электронов и ему "не хватает" одного электрона, чтобы его энергетические уровни стали завершенными.

Теперь догадываетесь, почему так "дружны" атомы хлора и натрия?

Ранее говорилось, что полностью "укомплектованные" энергетические уровни имеют инертные газы (группа VIIIA) - у них полностью заполнены внешние s и p-орбитали. Отсюда они так плохо вступают в химические реакции с другими элементами (им просто не надо ни с кем "дружить", поскольку ни отдавать, ни принимать электроны они "не хотят").

Когда валентный энергетический уровень заполнен - элемент становится стабильным или насыщенным .

Инертным газам "повезло", а что же делать остальным элементам периодической таблицы? Конечно же, "искать" себе пару, подобно дверному замку и ключу - определенному замку соответствует свой ключ. Так и химические элементы, пытаясь заполнить свой внешний энергетический уровень, вступают с другими элементами в реакции, создавая устойчивые соединения. Т.к. заполняются внешние s (2 электрона) и р (6 электронов) орбитали, то данный процесс получил название "правило октета" (октет = 8)

Натрий: Na

На внешнем энергетическом уровне атома натрия находится один электрон. Для перехода в стабильное состояние, натрий должен: либо отдать этот электрон, либо принять семь новых. Исходя из вышесказанного, натрий будет отдавать электрон. При этом у него "исчезает" 3s-орбиталь, а количество протонов (11) будет на один превосходить количество электронов (10). Поэтому, нейтральный атом натрия превратится в положительно заряженный ион - катион .

Электронная конфигурация катиона натрия: Na + 1s 2 2s 2 2p 6

Особо внимательные читатели справедливо скажут, что такая же электронная конфигурация и у неона (Ne). Так что же, натрий превратился в неон? Вовсе нет - не забывайте о протонах! Их по-прежнему; у натрия - 11; у неона - 10. Говорят, что катион натрия является изоэлектронным неону (поскольку их электронные конфигурации одинаковы).

Подведем итог:

• атом натрия и его катион отличаются одним электроном;
• катион натрия имеет меньший размер, поскольку он теряет внешний энергетический уровень.

Хлор: Cl

У хлора ситуация прямо противоположная - на внешнем энергетическом уровне у него находится семь валентных электронов и ему надо принять один электрон, чтобы стать стабильным. При этом произойдут следующие процессы:

• атом хлора примет один электрон и станет отрицательно заряженным анионом (17 протонов и 18 электронов);
• электронная конфигурация хлора: Cl - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
• анион хлора является изоэлектронным аргону (Ar);
• поскольку внешний энергетический уровень хлора "достроился", то радиус катиона хлора будет немного больше, чем у "чистого" атома хлора.

Поваренная соль (хлорид натрия): NaCl

Исходя из вышесказанного, видно, что электрон, который отдает натрий, становится электроном, который получает хлор.

В кристаллической решетке хлорида натрия каждый катион натрия окружен шестью анионами хлора. И наоборот, каждый анион хлора окружен шестью катионами натрия.

В результате перемещения электрона образуются ионы: катион натрия (Na +) и анион хлора (Cl -). Поскольку противоположные заряды притягиваются, то образуется устойчивое соединение NaCl (хлорид натрия) - поваренная соль .

В результате взаимного притяжения противоположно заряженных ионов, образуется ионная связь - устойчивое химическое соединение.

Соединения с ионными связями называют солями . В твердом состоянии все ионные соединения являются кристаллическими веществами.

Следует понимать, что понятие ионной связи довольно относительно, строго говоря к "чистым" ионным соединениям можно отнести только те вещества, у которых разность в электроотрицателности атомов, которые образуют ионную связь, равна или более 3. По этой причине в природе существует всего с десяток чисто ионных соединений - это фториды щелочных и щелочно-земельных металлов (например, LiF; относительная электроотрицательность Li=1; F=4).

Чтобы не "обижать" ионные соединения, химики договорились считать, что химическая связь является ионной, если разность электроотрицательностей атомов, образующих молекулу вещества равна или более 2. (см. понятие электроотрицательности).

Катионы и анионы

Другие соли образуются по аналогичному принципу, что и хлорид натрия. Металл отдает электроны, а неметалл их получает. Из периодической таблицы видно, что:

• элементы группы IA (щелочные металлы) отдают один электрон и образуют катион с зарядом 1 + ;
• элементы группы IIA (щелочноземельные металлы) отдают два электрона и образуют катион с зарядом 2 + ;
• элементы группы IIIA отдают три электрона и образуют катион с зарядом 3 + ;
• элементы группы VIIA (галогены) принимают один электрон и образуют анион с зарядом 1 - ;
• элементы группы VIA принимают два электрона и образуют анион с зарядом 2 - ;
• элементы группы VA принимают три электрона и образуют анион с зарядом 3 - ;

Распространенные одноатомные катионы

Распространенные одноатомные анионы

Не все так просто с переходными металлами (группа В), которые могут отдавать разное количество электронов, образуя при этом по два (и более) катиона, имеющих разные заряды. Например:

• Cr 2+ - ион двухвалентного хрома; хром (II)
• Mn 3+ - ион трехвалентного марганца; марганец (III)
• Hg 2 2+ - ион двухатомной двухвалентной ртути; ртуть (I)
• Pb 4+ - ион четырехвалентного свинца; свинец (IV)

Многие ионы переходных металлов могут иметь разную степень окисления.

Ионы не всегда бывают одноатомными, они могут состоять из группы атомов - многоатомные ионы . Например, ион двухатомной двухвалентной ртути Hg 2 2+ : два атома ртути связаны в один ион и имеют общий заряд 2 + (каждый катион имеет заряд 1 +).

Примеры многоатомных ионов:

• SO 4 2- - сульфат
• SO 3 2- - сульфит
• NO 3 - - нитрат
• NO 2 - - нитрит
• NH 4 + - аммоний
• PO 4 3+ - фосфат

Наверняка, каждому из читателей доводилось слышать такие слова, как «плазма», а также «катионы и анионы», это довольно интересная тема для изучения, которая в последнее время довольно прочно вошла в повседневную жизнь. Так, в быту широкое распространение получили так называемые плазменные дисплеи, которые прочно заняли свою нишу в различных цифровых устройствах – начиная от телефонов и заканчивая телевизорами. Но что такое плазма, и какое применение она находит в современном мире? Давайте попробуем ответить на этот вопрос.

Еще с малых лет, в начальной школе рассказывали о том, что существует три состояния вещества: твердое, жидкое, а также газообразное. Повседневный опыт показывает, что это действительно так. Мы можем взять немного льда, растопить его, а затем испарить – все довольно логично.

Важно! Существует четвертое базовое состояние вещества, называемое плазмой.

Однако, прежде чем ответить на вопрос: что же это такое, давайте вспомним школьный курс физики и рассмотрим строение атома.

В 1911 году физиком Эрнстом Резерфордом, после долгих исследований, была предложена так называемая планетарная модель атома. Что же она собой представляет?

По результатам его опытов с альфа-частицами, стало известно, что атом является неким аналогом солнечной системы, где уже ранее известные электроны играли роль «планет», вращаясь вокруг атомного ядра.

Данная теория стала одним из наиболее значимых открытий в физике элементарных частиц. Но на сегодняшний день она признана устаревшей, а ей на замену принята другая, более совершенная, предложенная Нильсом Бором. Еще позднее, с появлением нового ответвления науки, так называемой квантовой физики, была принята теория корпускулярно-волнового дуализма.

В соответствие с ней, большинство частиц одновременно являются не только частицами, но и электромагнитной волной. Таким образом, невозможно на 100% точно указать, в каком месте находится электрон в определенный момент. Имеется возможность лишь предположить, где он может быть. Подобные «допустимые» границы впоследствии получили название орбиталей.

Как известно, электрон обладает отрицательным зарядом, в то время как протоны, находящиеся в ядре, – положительным. Так как число электронов и протонов равно, то атом обладает нулевым зарядом, или же, – электрически нейтрален.

При различных внешних воздействиях атом получает возможность, как терять электроны, так и приобретать их, при этом меняя свой заряд на положительный или отрицательный, становясь при этом ионом. Таким образом, ионы представляют собой частицы с ненулевым зарядом – будь то ядра атомов, или оторванные электроны. В зависимости от заряда, положительного или отрицательного, ионы называются катионами и анионами соответственно.

Какие воздействия могут привести к ионизации вещества? К примеру, этого можно добиться с помощью нагрева. Однако в лабораторных условиях сделать это практически невозможно – оборудование не выдержит таких высоких температур.

Другой не менее интересный эффект можно наблюдать в космических туманностях. Подобные объекты чаще всего состоят из газа. Если поблизости имеется звезда, то ее излучение может ионизировать вещество туманности, в результате чего оно уже самостоятельно начинает излучать свет.

Глядя на эти примеры, можно ответить на вопрос о том, чем является плазма. Итак, ионизируя определенный объем вещества, мы заставляем атомы отдать свои электроны и приобрести положительный заряд. Свободные электроны, обладая отрицательным зарядом, могут либо остаться свободными, либо же присоединиться к другому атому, тем самым изменив его заряд на положительный. Так вещество никуда не уходит, а число протонов и электронов так и остается равным, оставляя плазму электрически нейтральной.

Роль ионизации в химии

Можно с уверенностью сказать, что химия – это, по сути, прикладная физика. И хотя данные науки занимаются изучением совершенно разных вопросов, но законы взаимодействия вещества в химии никто не отменял.

Как было описано выше, электроны имеют свои строго определенные места – орбитали. Когда атомы образуют какое-либо вещество, то они, сливаясь в группу, также «делятся» своими электронами с соседями. И хотя молекула остается электрически нейтральной, одна ее часть может представлять собой анион, а другая — катион.

За примером далеко ходить не требуется. Для наглядности можно взять всем известную соляную кислоту, она же хлороводород – HCL. Водород в данном случае будет обладать положительным зарядом. Хлор же в данном соединении является остатком и называется хлоридом – тут он имеет заряд отрицательный.

На заметку! Довольно легко выяснить какими свойствами обладают те или иные анионы.

Таблица растворимости покажет, какое вещество хорошо растворяется, а какое сразу же вступает во взаимодействие с водой.

Полезное видео: катионы и анионы

Вывод

Мы выяснили, что представляет собой ионизированное вещество, каким законам подчиняется, и какие процессы за этим стоят.

Почему анионы жизненно необходимы человеческому организму?

T акие факторы, как ежедневные стрессы, нерегулярное питание, нездоровый образ жизни, загрязненная окружающая среда легко приводит к накоплению свободных радикалов в человеческом организме, которые вызывают все виды острых и хронических заболеваний в течении определенного периода времени.К тому же, формирование свободных радикалов в значительной степени обусловлено недостатком отрицательно-заряженных ионов. Из этого следует вывод, что для того, чтобы создать здоровые условия для жизнедеятельности, необходимо поддерживать определенный уровень отрицательно-заряженных ионов в организме.

Витамины воздуха - анионы – залог здоровья и долголетия!
Давнее открытие анионов перевернуло весь научный мир медицины. Теперь полезные для организма «воздушные витамины» можно получить прямо из воздуха. Слово «Анионы» на слуху у тех, кто заботится о своем здоровье. Однако не все люди до конца понимают, что же это такое «анионы».
Если взять молекулы и атомы воздуха в обычных условиях жизни человека нейтральны и изменить их структуры под воздействием например, микроволновой радиации (в природе такой же эффект простым ударом молнии), молекулы теряют вращающиеся вокруг атомного ядра отрицательно заряженных электроны. Затем они соединяются с нейтральным молекулам, придавая и им отрицательный заряд. Именно такие молекулы и являются анионами .
Анионы не имеют ни цвета ни запаха, в то время как наличие на их орбите отрицательных электронов вытягивает из воздуха микрочастицы и микроорганизмы, удаляя всю пыль и убивая болезнетворные микробы. Анионы можно сравнить с витаминами, они также важны и нужны человеческому организму. Именно поэтому они именуются «Воздушными витаминами», «очистителем воздуха» и «элементом долголетия».
Каждый человек, заботящийся о своем здоровье, обязан воспользоваться целебной силой анионов, ведь они нейтрализуют пыль, и уничтожают различные виды микробов. Чем большее количество анионов в воздухе, тем меньше в нем содержание патогенной микрофлоры.
По данным Всемирной Организации Здравоохранения среднее содержание анионов в жилом помещении города на уровне 40-50, в то время как оптимальным для человеческого организма является содержание 1200 анионов на 1 куб.см. Например, содержанием анионов в свежем горном воздухе составляет 5000 на1 куб.см. Именно поэтому в горах, на свежем воздухе люди не болеют и живут долго, оставаясь при этом в трезвом рассудке до глубокой старости.

Как измеряют поток анионов?
Поток анионов, излучаемый предметами, можно измерить двумя способами: динамическим и статическим.
Статичный метод измерения потока анионов используется для тестирования материалов, генерирующих лучевые потоки анионов. К ним относятся только твердые предметы, такие как камни. В этом случае поток анионов замеряется напрямую специальным прибором. Статичный метод применяют для измерения природных потоков анионов, например на морском побережье.

Динамическим методом измеряют волновой поток анионов. Именно волновой способ излучения используется в женских анионовых прокладках. Это означает, что анионы вырабатываются встроенным чипом не постоянно, а только при определенной температуре, влажности, трении. Шанхайским контрольным институтом Текстиля и технологий неоднократно проводилось тестирование анионовых прокладок динамическим методом. Результаты были положительными – анионовая гигиеническая продукция соответствует стандартам, и действительно производит тот эффект, о котором заявляют производители.

Электроли́т - вещество , которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы , что происходит врастворах и расплавах , или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов . Примерами электролитов могут служить водные растворы кислот , солей и оснований и некоторые кристаллы (например, иодид серебра , диоксид циркония ). Электролиты - проводники второго рода, вещества, электропроводность которых обусловлена подвижностью ионов.

Исходя из степени диссоциации все электролиты делятся на две группы

Сильные электролиты - электролиты, степень диссоциации которых в растворах равна единице (то есть диссоциируют полностью) и не зависит от концентрации раствора. Сюда относятся подавляющее большинство солей, щелочей, а также некоторые кислоты (сильные кислоты, такие как: HCl, HBr, HI, HNO 3, H 2 SO 4).

Слабые электролиты - степень диссоциации меньше единицы (то есть диссоциируют не полностью) и уменьшается с ростом концентрации. К ним относятводу, ряд кислот (слабые кислоты, такие как HF), основанияp-, d-, и f-элементов.

Между этими двумя группами чёткой границы нет, одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом - слабого.

Изотонический коэффициент (также фактор Вант-Гоффа ; обозначается i ) - безразмерный параметр, характеризующий поведение вещества в растворе. Он численно равен отношению значения некоторого коллигативного свойства раствора данного вещества и значения того же коллигативного свойства неэлектролита той же концентрации при неизменных прочих параметрах системы.

Основные положения теории электролитической диссоциации

1. Электролиты при растворении в воде распадаются (диссоциируют) на ионы – положительные и отрицательные.

2. Под действием электрического тока ионы приобретают направленное движение: положительно заряженные частицы движутся к катоду, отрицательно заряженные – к аноду. Поэтому положительно заряженные частицы называются катионами, а отрицательно заряженные – анионами.

3. Направленное движение происходит в результате притяжения их противоположно заряженными электродами (катод заряжен отрицательно, а анод – положительно).

4. Ионизация – обратимый процесс: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения ионов в молекулы (ассоциация).

Основываясь на теории электролитической диссоциации, можно дать следующие определения для основных классов соединений:

Кислотами называются электролиты, при диссоциации которых в качестве катионов образуются только ионы водорода. Например,

HCl → H + + Cl - ; CH 3 COOH H + + CH 3 COO - .

Основность кислоты определяется числом катионов водорода, которые образуются при диссоциации. Так, HCl, HNO 3 – одноосновные кислоты, H 2 SO 4 , H 2 CO 3 – двухосновные, H 3 PO 4 , H 3 AsO 4 – трехосновные.

Основаниями называют электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы. Например,

KOH → K + + OH - , NH 4 OH NH 4 + + OH - .

Растворимые в воде основания называются щелочами.

Кислотность основания определяется числом его гидроксильных групп. Например, KOH, NaOH – однокислотные основания, Ca(OH) 2 – двухкислотное, Sn(OH) 4 – четырехкислотное и т.д.

Солями называют электролиты, при диссоциации которых образуются катионы металлов (а также ион NH 4 +) и анионы кислотных остатков. Например,

CaCl 2 → Ca 2+ + 2Cl - , NaF → Na + + F - .

Электролиты, при диссоциации которых одновременно, в зависимости от условий, могут образовываться и катионы водорода, и анионы – гидроксид-ионы называются амфотерными. Например,

H 2 O H + + OH - , Zn(OH) 2 Zn 2+ + 2OH - , Zn(OH) 2 2H + + ZnO 2 2- или Zn(OH) 2 + 2H 2 O 2- + 2H + .

Катио́н - положительно заряженный ион . Характеризуется величиной положительного электрического заряда: например, NH 4 + - однозарядный катион, Ca 2+

Двузарядный катион. В электрическом поле катионы перемещаются к отрицательному электроду - катод

Происходит от греческого καθιών «нисходящий, идущий вниз». Термин введен Майклом Фарадеем в 1834 году .

Анио́н - атом , или молекула , электрический заряд которой отрицателен, что обусловлено избытком электронов по сравнению с количеством положительныхэлементарных зарядов . Таким образом, анион - отрицательно заряженный ион . Заряд аниона дискретен и выражается в единицах элементарного отрицательного электрического заряда; например, Cl − - однозарядный анион, а остаток серной кислоты SO 4 2− - двузарядный анион. Анионы имеются в растворах большинствасолей , кислот и оснований , в газах , например, H − , а также в кристаллических решётках соединений с ионной связью , например, в кристаллах поваренной соли , вионных жидкостях и в расплавах многих неорганических веществ .